11 MZB I - Jelezarow 2

4 Cyt c(Fe2+) + 8 H+ (Matrix) + O2 --> 4 Cyt c (Fe3+) + 2 H2O + 4 H+ (Zwischenmembranraum)    ∆G'° ca. -112 kJ mol-1
-> verbraucht Sauerstoff!

Komplex IV aus Säugetieren ist ein Dimer (200 kD) und besteht aus dreizehn Untereinheiten; zehn von diesen sind Transmembranproteine

Die vier Redoxzentren sind: Häm a, Häm a3, ein CuA-CuA Zentrum und ein CuB Kupferion, welches eng mit Häm a3 assoziiert ist (CuB-Häm a3-Zentrum).

Der Weg der Elektronen folgt dem ansteigenden Redoxpotential:
Cyt c(Fe2+) → CuA-CuA → Häm a → CuB-Häm a3 → O2

Pro Elektronenpaar werden entweder 10 H+ (NADred; Komplexe I, III und IV) oder 6 H+ (FADred; Komplexe II, III und IV) über die innere Mitochondrienmembran transportiert.

(Vermutungen)

funktionelle Kombinationen aus 2 oder mehreren elektronenübertragenden Komplexen
-> Die Geschwindigkeit des Elektronentransfers in den Respirasomen ist sehr hoch, und zwar deutlich höher im Vergleich zu der Situation, in der der Elektronentransport durch Diffusion von Ubichinon und Cyt c als Vermittler zwischen den Komplexen zustande kommt

Reaktive Sauerstoffspezies („reactive oxygen species“ = ROS)

Unvollständige Übertragung von Elektronen auf O2

Wird nur ein Elektron auf O2 übertragen, so entsteht das reaktionsfreudige Superoxidradikal. Werden zwei Elektronen übertragen, entsteht das ebenfalls sehr reaktive Peroxid.
-> Die Entstehung des Superoxidradikals ist energetisch ungünstig, wird aber durch Fe2+ katalysiert
  -> Superoxidradikale werden also als Nebenreaktion von Chinonradikalen gebildet
-> In biologischen Systemen sehr wirksam ist das Hydroxylradikal, welches aus dem relativ harmlosen Wasserstoffperoxid (H2O2) gebildet wird

Die Sauerstoffradikale können mit beliebigen anderen Molekülen reagieren und Schaden anrichten. Besonders die Lipide in Membranen werden von ROS leicht oxidiert. Weil ROS so gefährlich sind, gibt es ubiquitäre Enzyme, welche die ROS unschädlich machen. 

Die Superoxiddismutase (SOD) beseitigt das Superoxidradikal:
2 O2-. + 2 H+ --SOD--> O2 + H2O2
Wasserstoffperoxid, das in der SOD-Reaktion entsteht, wird durch die Enzyme Katalase und Glutathionperoxidase unschädlich gemacht:
2 H2O2 --Katalase--> 2 H2O + O2
H2O2 + 2 GSH --Gluthation-Peroxidase--> 2 H2O + GSSG

-> Diese Enzyme sind sehr leistungsfähig und arbeiten mit nahezu diffusionskontrollierter Geschwindigkeit

- Die freie Enthalpie des Elektronentransports erzeugt Transport von H+ aus der mitochondrialen Matrix in den Zwischenmembranraum. Es entstehet ein elektrochemischer H+-Gradient über der inneren mitochondrialen Membran.
- Das elektrochemische Potenzial dieses Gradienten wird zur Synthese von ATP genutzt.

Die freie Enthalpie, die im aufgebauten elektrochemischen Gradienten akkumuliert wird, bezeichnet man als protonenmotorische Kraft (PMK; englisch: proton motive force, PMF)
-> die protonenmotorische Kraft treibt die ATP-Synthese an

(Komplex V, ATP-Synthetase, F1F0-ATPase sind synonyme Bezeichnungen)

Sein F1-Teil hat eine Kugelgestalt, ragt in die Matrix hinein und ist über einen Stiel mit dem F0-Teil, der in die Membran eingebettet ist, verbunden

Der c-Ring ist fest mit den Untereinheiten γ und ε verbunden. Während der ATP-Synthese rotiert der c-Ring zusammen mit den Untereinheiten γ und ε im α3β3-Hexamer von F1. Der c-Ring rotiert auch gegenüber der a-Untereinheit, die über den Stator b2 fest mit dem α3β3-Hexamer von F1 verbunden ist. Als Resultat dreht sich der c-Ring mitsamt dem Stiel (γ und ε) im F1-Teil. Es dreht sich aber auch der c-Ring gegenüber der a-Untereinheit von F0. Die Drehung wird durch das Einströmen von H+ aus dem Zwischenmembranraum durch die a-Untereinheit von F0 angetrieben

Die ATP-Synthese findet in der β-Untereinheit des F1-Teils statt, die drei verschiedene Konformationen einnehmen kann:

T-Konformation (tight = fest): ATP, ADP und Pa sind sehr fest an die aktive Stelle der βUntereinheit gebunden. Die Gleichgewichtskonstante des Gleichgewichts ADP + Pa ↔ ATP ist etwa 1, es entsteht also spontan ATP.

L-Konformation (loose = locker): ADP und Pa sind an die aktive Stelle der β-Untereinheit gebunden aber nicht mehr so stark, dass spontan ATP entsteht.

O-Konformation (open = offen): ATP, ADP und Pa binden kaum

Die β-Untereinheiten nehmen die T-, Loder O-Konformation ein. Je nach ihrer momentanen Konformation bildet die β-Untereinheit ATP (TKonformation), bindet ADP und Pa (L-Konformation) oder lässt ATP frei (O-Konformation). Die rotierende γUntereinheit (blau) bewirkt den Konformationswechsel. Der Stator verhindert, dass sich der Ring der βUntereinheiten mitdreht 

totale Anzahl an gewonnenem Mol ATP pro Mol Glucose zu berechnen. Insgesamt 10 Mol NADred und 2 Mol FADred werden in der Glykolyse und im Citratzyklus produziert. Mit 2.5 ATP pro NADred und 1.5 ATP/FADred ergibt die Summe 10 × 2.5 + 2 × 1.5 = 28 Mol ATP. Dabei ist zu beachten, dass wenn 2 NADred über den Glycerol-3-phosphat-Shuttle in die Atmungskette eintreten, wird Komplex I umgangen (die Elektronen werden als FADred eingeschleust). In diesem Fall ist die Summe: 8 × 2.5 + 4 × 1.5 = 26 Mol ATP. Dazu muss man noch 2 ATP und 2 GTP (welches analog zu ATP ist) aus Substratkettenphosphorylierung in der Glykolyse bzw. im Citratzyklus anrechnen. Total sind es entweder 30 (Glycerin-3-phosphat-Shuttle) oder 32 Mol ATP (Malat-Aspartat-Shuttle) pro Mol vollständig zu CO2 und H2O oxidierter Glucose.

Von den Reaktionen der Atmungskette ist nur die Cytochrom c-Oxidasereaktion (Komplex IV) stark exergon
 -> Sie ist ein guter Kontrollpunkt für die Regulation der gesamten oxidativen Phosphorylierung

-> Die Geschwindigkeit der Cytochrom c Oxidase-Reaktion wird einzig über das Angebot an Substrat verändert, also über die Konzentration des reduzierten Cytochrom c
  (-> Ist das Verhältnis Cyt c (Fe2+)/Cyt c(Fe3+) gross, läuft die Cytochrom c-Oxidasereaktion schnell ab, weil ein grosses Substratangebot vorherrscht. Ist das Verhältnis klein, ist die Reaktion langsam, weil das Substratangebot klein ist)

Im Ruhezustand wird wenig ATP zu ADP + Pa hydrolysiert. Der ATP-Verbrauch ist minimal und das Verhältnis ([ADP][Pa])/[ATP] ist niedrig, weil viel ATP vorhanden ist (hohe Energieladung im Ruhezustand). Auch die Glykolyse und der Citratzyklus sind wegen des grossen Angebots an ATP und dem kleinen ATP-Verbrauch verlangsamt. 
-> dadurch wird das Verhältnis Cyt c(Fe2+)/Cyt c(Fe3+) niedrig, so dass die oxidative Phosphorylierung verlangsamt ist. Es kommt zu einem Fliessgleichgewicht auf tiefem Niveau: wenig ATP-Verbrauch, langsame NADred- und ATP-Bildung. Wird der Körper wieder aktiv, so wird mehr ATP verbraucht, das Verhältnis ([ADP][Pa])/[ATP] steigt, damit wird auch das Verhältnis Cyt c(Fe2+)/Cyt c(Fe3+) grösser: Die oxidative Phosphorylierung kommt auf Touren und produziert mehr ATP.

Nur wenn die Atmungskette und ATP-Synthese über den Protonengradienten gekoppelt sind, kann ATP entstehen. Die Kopplung erfordert, dass die Protonen ausschliesslich über die Komplexe I, III und IV hinaus und über die ATP-Synthase wieder in die Matrix hinein wandern. Können anderswo H+ durchschlüpfen, wird das System entkoppelt, die ATP-Synthese wird verlangsamt und es entsteht nur Wärme. Genau das bewirken die sogenannten EntkopplerVerbindungen

am Beispiel von Dinitrophenol: In Gegenwart von Dinitrophenol oxidiert die Atmungskette in rasantem Tempo NADred zu H2O und NADox und pumpt ständig H+ in den Zwischenmembranraum. Die H+ werden aber vom Dinitrophenol sofort durch die Lipiddoppelschicht in die Matrix zurück gebracht. Es bildet sich kein Protonengradient und damit kein ATP, wohl aber Wärme!

Höhere Organismen benutzen natürliche Entkoppler, um Wärme zu produzieren. Tiere, die einen Winterschlaf machen, der Kälte besonders angepasste Tiere, auch neugeborene Tiere und menschliche Säuglinge produzieren Wärme im braunen Fettgewebe

Der Gewinn aus dem Citratzyklus sind 1 GTP aus einer Substratkettenphosphorylierung sowie 3 NADred und 1 FADred

im Citratzyklus wird kein O2 verbraucht. Jedoch läuft der Citratzyklus nur in Gegenwart von Sauerstoff ab, also nur unter aeroben Bedingungen. Der Grund liegt darin, dass der Zyklus nur dann aktiv ist, wenn die entstehenden Reduktionsäquivalente NADred und FADred rückoxidiert werden;
 

Acetyl-CoA, der Ausgangsstoff des Citratzyklus, entsteht in einer komplizierten Reaktion aus Pyruvat, bei welcher das Pyruvat decarboxyliert und gleichzeitig oxidiert wird (oxidative Decarboxylierung). Die Nettoreaktion lautet:
Pyruvat + CoA + NADox → Acetyl-CoA + CO2 + NADred + H+

drei Teilreaktionen (Abb. 3-3):
1) Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetaldehyd und CO2
2) Oxidation von Acetaldehyd zu Essigsäure
3) Veresterung von Essigsäure mit CoA zum energiereichen Thioester Acetyl-CoA.

In der Zelle besteht die Gesamtreaktion aus fünf Teilreaktionen, die von drei Enzymen katalysiert werden. Die Enzyme assoziieren und bilden den Pyruvat-Dehydrogenase Komplex (PDHKomplex). Der Komlex besteht aus:
Enzym 1: Pyruvat-Dehydrogenase 
Enzym 2: Dihydroliponamid-Acetyltransferase
Enzym 3: Dihydroliponamid-Dehydrogenase

Der Pyruvat-DH-Komplex benötigt Thiamindiphosphat (TDP), Liponsäure und FAD als katalytische Cofaktoren sowie NADox und CoA als stöchiometrische Cofaktoren (Cosubstrate)

- Decarboxylierung (Enzym 1)
- Oxidation eines Hydroxyethyl-Intermediats zu einem Acetyl-Intermediat (Enzym 1 + Enzym 2)
- Übertragung der Acetylgruppe auf CoA (Enzym 2)
- Rückoxidation der Liponsäure und Erzeugung von FADox (Enzym 3)
- Erzeugung von NADred (Enzym 3)

Die Pyruvat-Dehydrogenase Komponente des Komplexes (Enzym 1) besitzt Thiamindiphosphat (TDP, auch Thiaminpyrophosphat oder TPP genannt; Vit. B1) als prosthetische Gruppe (Abb. 35). TDP enthält ein Wasserstoffatom, der leicht als H+ abdissoziiert und ein Carbanion zurück lässt. Das TDP-Carbanion greift am Carbonyl-Kohlenstoffatom von Pyruvat an. Das entstehende Zwischenprodukt decarboxyliert zum Hyroxyethyl-TDP

Der Cofaktor Liponsäureamid von Enzym 2 oxidiert sodann Hydroxyethyl-TDP zum Acetylliponamid. Das Oxidationsprodukt bleibt als Thioester kovalent an das Liponamid gebunden. Man beachte, dass noch kein Reduktionsäquivalent, also kein NADred, frei wird.

Enzym 2 überträgt die Acetylgruppe vom Liponamid auf Coenzym A. Die Bildung von Acetyl-CoA aus Acetat und CoA ist stark endergonisch, weil ein energiereicher Thioester gebildet wird. Da aber die Acetylgruppe als Thioester des Liponamids am Enzym gebunden ist, bleibt auch die Energie aus der vorangegangenen Oxidation partiell erhalten und kann für die Bildung von Acetyl-CoA wieder benutzt werden. Die Oxidation und die Bildung des Thioesters sind gekoppelt!

Rückoxidation von Dihydroliponamid zum Liponamid liefert NADred als Gewinn. Die Reaktion wird durch Enzym 3 katalysiert. FADox und FADred bleiben enzymgebunden, nur NADred erscheint als Produkt. Die Elektronen werden zuerst auf eine reaktive Disulfidgruppe übertragen. Die Oxidation des Dihydroliponamids entspricht einer Disulfidaustauschreaktion

Avcetyl-CoA + 3 NADox + FADox + GDP + Pa + 2 H2O --> 2 CO2 + 3 NADred + 3 H+ + FADred + GTP + CoA

Aus Acetyl-CoA und Oxalacetat entsteht Citrat, das dem Zyklus den Namen gegeben hat

Die Reaktion ist eine Aldolkondensation, die von der Citrat-Synthase (2.3.3.1) katalysiert wird

Die Reaktion ist wegen der Hydrolyse des energiereichen Thioesters stark exergonisch (∆G'° = - 31.4 kJ mol1). Oxalactetat bindet zuerst an das Enzym und ermöglicht die Bindung von Acetyl-CoA. Durch die geordnete Bindungsreihenfolge und das Schliessen der aktiven Stelle wird die unnütze Hydrolyse von Acetyl-CoA verhindert.

Citrat isomerisiert zu Isocitrat, welches leichter oxidiert und decarboxyliert werden kann als Citrat

Die Isomerisierung dient zur Vorbereitung der ersten oxidativen Decarboxylierung weil die Struktur R–CO–COOH (α-Ketocarbonsäure) besonders leicht decarboxyliert werden kann. Cis-Aconitat ist Zwischenprodukt der Isomerisierung und entsteht durch Wasserabspaltung aus Citrat. Stereospezifische Wasseranlagerung führt zu Isocitrat.

isomerisierende Enzym ist Aconitat-Hydratase (Trivialnamen Aconitase, 4.2.1.3).

Im nächsten Schritt folgt die Oxidation von Isocitrat zum Zwischenprodukt Oxalsuccinat. Diese α-Ketocarbonsäure decarboxyliert leicht zu α-Ketoglutarat

Beide Reaktionen werden durch die Isocitrat-Dehydrogenase (1.1.1.41) katalysiert

-> Das erste von vier Oxidationsäquivalenten entsteht (NADred) und das erste CO2 wird eliminiert

oxidativen Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA

Die 4. Reaktion des Citratzyklus verläuft analog zur oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA. Die freie Energie der Reaktion wird benutzt, um einen energiereichen Thioester mit Coenzym A zu bilden

α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (EC 1.2.4.2, 1.8.1.4, 2.3.1.61)

->das zweite NADred und das zweite CO2 werden gebildet 

Succinyl-CoA zu Succinat

Im Succinyl-CoA steckt Energie, die zur ATP-Synthese genutzt werden kann. ∆G°' für die Hydrolyse von Succinyl-CoA beträgt -33.5 kJ mol-1, genug um die Reaktion ADP + Pa → ATP (∆G°' = +30.5 kJ mol-1) in einer gekoppelten Reaktion anzutreiben

SuccinylCoA-Synthetase (EC 6.2.1.41)

Die Reaktion wird durch ein His an der aktiven Stelle der Succinyl-CoA-Synthetase ermöglicht.